礦井瞬變電磁法在峰峰某礦超前探測(cè)的實(shí)踐分析

關(guān)民全

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)勘查院，河北邯鄲 056004)

0 引言

我國(guó)是世界上第一產(chǎn)煤大國(guó)，也是世界上煤礦水害最為嚴(yán)重的國(guó)家。老空水、頂板水、底板水、離層水等各種水害是制約煤炭工業(yè)發(fā)展的突出問(wèn)題之一。峰峰礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，水文地質(zhì)條件也極為復(fù)雜，是全國(guó)典型的大水礦區(qū)，具備如下特點(diǎn)：水害類(lèi)型齊全；煤層埋藏深、煤層底板承受水壓高；煤系薄層灰?guī)r含水層富水性強(qiáng)，水力關(guān)系復(fù)雜；下組煤距奧灰強(qiáng)含水層間距小；礦井涌水量大；水害造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大等[1-3]。因此峰峰礦區(qū)的防治水工作非常具有特色：防治難度大、技術(shù)復(fù)雜。由于峰峰礦區(qū)地面物探受地表地質(zhì)條件、探測(cè)深度、地層傾角、多地層物理特性、近地面干擾等多因素影響，探測(cè)精度較低，因此，將地面物探移到井下，在近距離、近目標(biāo)、單一層位中探測(cè)，可以提高物探資料解釋的精度和可靠性[4]。目前用于井下探測(cè)的眾多地球物理勘探方法中，礦井瞬變電磁法對(duì)于煤層富含水情況探測(cè)效果比較明顯，具有方向性強(qiáng)、勘探深度大、體積效應(yīng)小、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高、可以多方向探測(cè)、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)[5-6]，已成為峰峰礦區(qū)井下預(yù)測(cè)水害隱患的重要技術(shù)手段。

1 礦井瞬變電磁的特點(diǎn)

由于井下特殊的空間限制，礦井瞬變電磁法有以下特點(diǎn)：①探測(cè)是在井下巷道內(nèi)進(jìn)行，瞬變電磁場(chǎng)呈全空間分布如圖1所示；②受巷道施工空間所限，只能采用邊長(zhǎng)小于3m的多匝小線(xiàn)框，一般探測(cè)深度在120m以?xún)?nèi)；③采用小線(xiàn)框，點(diǎn)距較密，體積效應(yīng)降低，橫向分辨率提高；④距離異常體更近，異常體感應(yīng)信號(hào)強(qiáng)，探測(cè)信號(hào)信噪比高，方向性強(qiáng)；⑤可以探測(cè)多個(gè)方向，如頂板、底板、側(cè)幫、迎頭前方；⑥在井下會(huì)受到多種金屬物的干擾。

礦井瞬變電磁法經(jīng)常使用的工作裝置形式主要有重疊回線(xiàn)和中心回線(xiàn)兩種。重疊回線(xiàn)裝置對(duì)地質(zhì)異常響應(yīng)強(qiáng)、施工方便，但線(xiàn)圈中存在較強(qiáng)的互感，一次場(chǎng)影響嚴(yán)重；中心回線(xiàn)裝置收發(fā)線(xiàn)圈互感影響小，降低了一次場(chǎng)影響，但二次場(chǎng)信號(hào)相對(duì)較弱，對(duì)地質(zhì)導(dǎo)體識(shí)別不如重疊回線(xiàn)。

井下巷道內(nèi)施工采用多匝數(shù)小回線(xiàn)測(cè)量裝置，線(xiàn)框貼近巷道迎頭煤巖層(圖1)，裝置參數(shù)主要有回線(xiàn)邊長(zhǎng)大小、回線(xiàn)匝數(shù)、疊加次數(shù)等。一般在正式工作前可通過(guò)試驗(yàn)加以確定。原則上根據(jù)施工區(qū)段的客觀情況，以能夠充分發(fā)揮儀器性能，有效的完成探測(cè)地質(zhì)任務(wù)為佳。

圖1 礦井瞬變電磁法工作方式示意Figure 1 Schematic diagram of mine transient electromagnetic method operation mode

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 峰峰某礦2704工作面概況

峰峰某礦井下工作面開(kāi)采2號(hào)煤層，煤層走向NW20°，傾向NE，平均傾角12°，煤層厚度平均2.8m，煤層較穩(wěn)定。煤層直接頂為中粒砂巖，厚度為11.22m，有時(shí)成互層，含云母片，裂隙中有方解石及硫化亞鐵；偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚度為0.29m，黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，含植物化石及少量炭質(zhì)，易風(fēng)化；直接底為砂質(zhì)頁(yè)巖，厚度為2.97m，黑灰色，含大量的植物根系化石，微帶節(jié)理；老底為中粒砂巖，厚度為16.9m，灰白色，礦物為石英、長(zhǎng)石，略帶黑色礦物，帶小裂隙及方解石脈。

2號(hào)煤層下距奧灰120m左右，工作面底板標(biāo)高-420m，奧灰水位標(biāo)高為+120m，屬于帶壓開(kāi)采，最大水頭壓力達(dá)到4～5MPa，掘進(jìn)前方一旦存在導(dǎo)水構(gòu)造連通奧灰水，直接揭露后果不堪設(shè)想，因此為了保證工作面巷道的安全掘進(jìn)，礦方采用了瞬變電磁跟蹤性超前探測(cè)，提前探明前方隱伏導(dǎo)水通道，以制定出切合實(shí)際的防治水措施，來(lái)保證采掘安全[7]。

2.2 探測(cè)方法

(1)儀器及工作參數(shù)

使用儀器為YCS40(A)型礦用瞬變電磁儀及配套設(shè)備。采用重疊回線(xiàn)裝置，發(fā)射線(xiàn)框和接收線(xiàn)框使用多匝1.5m×1.5m矩形回線(xiàn)，發(fā)射線(xiàn)框?yàn)?匝，接收線(xiàn)框?yàn)?8匝，發(fā)射電壓7.0v，發(fā)射頻率8.3Hz，擬制系數(shù)3，測(cè)道數(shù)40，疊加次數(shù)為64等進(jìn)行井下數(shù)據(jù)采集。

(2)工作布置

由于工作面主采煤層均為帶壓開(kāi)采，主要面臨的水患為底板奧陶系灰?guī)r水，探測(cè)的重點(diǎn)為迎頭前方是否存在構(gòu)造連通奧灰水。在井下巷道迎頭實(shí)地觀察后，結(jié)合探測(cè)目的任務(wù)，選擇了更適于全面探測(cè)迎頭前方情況的橫向扇形觀測(cè)系統(tǒng)[8](圖2)，共布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中每個(gè)扇形觀測(cè)點(diǎn)在垂直方向上都觀測(cè)了6個(gè)方向，包括迎頭順層、斜上45°、斜下30°、斜下45°、斜下60°、底板探測(cè)，探測(cè)方向(圖3)。在此基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)金屬設(shè)施情況及探測(cè)的目的，在迎頭正前方增加了一個(gè)縱向扇形觀測(cè)(圖4)，增加對(duì)底板的重點(diǎn)探測(cè)，且在最終的成果解釋中，將兩種觀測(cè)系統(tǒng)所探測(cè)的成果進(jìn)行綜合分析，相互驗(yàn)證，提高物探資料解釋的準(zhǔn)確度。

2.3 探測(cè)成果與驗(yàn)證情況

現(xiàn)將具有代表性的迎頭探測(cè)成果進(jìn)行分析。

圖2 扇形觀測(cè)系統(tǒng)示意Figure 2 Schematic diagram of fan shaped observation system

圖3 探測(cè)方向示意Figure 3 Schematic diagram of detective directions

圖4 縱向扇形觀測(cè)示意(探測(cè)底板)Figure 4 Schematic diagram of lengthwise fan shaped observation

圖5 迎頭前方橫向扇形視電阻率剖面Figure 5 Head-on front transverse fan shaped apparentresistivity section

圖6 迎頭前方縱向扇形視電阻率剖面Figure 6 Head-on front lengthwise fan shaped apparentresistivity section

圖7 工作面排水巷迎頭探測(cè)點(diǎn)三維示意Figure 7 3D schematic diagram of working face drainage drifthead-on detection points

1)對(duì)某工作面運(yùn)料道迎頭前方富水情況進(jìn)行了探測(cè)。探測(cè)迎頭前方斜上45°、順層、斜下30°、45°、60°的橫向扇形視電阻率剖面圖(圖5)中，未發(fā)現(xiàn)明顯低阻異常體存在，但在迎頭正前方左右兩邊視電阻率值變化較大，形成明顯界限，因此分析認(rèn)為該迎頭前方30～80m地段整體富水性較差，但在迎頭正前方左右兩邊有巖性變化，可能存在小斷層；探測(cè)迎頭前方縱向扇形視電阻率剖面圖(圖6)中，也未發(fā)現(xiàn)明顯低阻異常體存在。將兩種觀測(cè)系統(tǒng)所探測(cè)的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為該迎頭前方整體富水性較差，但迎頭正前方可能存在小構(gòu)造。通過(guò)驗(yàn)證，探測(cè)迎頭前方存在一小斷層，但富水性較差，實(shí)際揭露情況與瞬變電磁探測(cè)結(jié)果相符。在井下運(yùn)用瞬變電磁法探測(cè)受井下金屬設(shè)施干擾較多，根據(jù)實(shí)際情況盡可能避開(kāi)干擾，可以選擇不同的觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)，將多種觀測(cè)系統(tǒng)所探測(cè)的成果進(jìn)行綜合分析，相互驗(yàn)證，提高物探資料解釋的準(zhǔn)確度。

2)通過(guò)對(duì)某工作面排水巷迎頭前方富水情況進(jìn)行探測(cè)，綜合分析順層、斜下30°、45°、60°的扇形視電阻率剖面圖，得出探測(cè)區(qū)域內(nèi)存在兩處低阻異常區(qū)，且這兩處低阻異常在各層位上延續(xù)性較好，存在導(dǎo)通的可能，需要礦方打孔驗(yàn)證(圖7)。低阻異常1：由迎頭正前方左側(cè)順層75m處、斜下30°方向70m處及斜下45°方向65m處三個(gè)層位的低阻異常構(gòu)成，極有可能存在導(dǎo)通關(guān)系，根據(jù)礦方提供的資料，這些低阻異常區(qū)在F1斷層附近，分析可能是斷層破碎含水的反映。低阻異常2：在迎頭偏左30°方向，順層、斜下30°和斜下45°三個(gè)層位，距迎頭垂直投影距離約65m位置有一明顯的低阻異常，且三個(gè)層位低阻異常在垂直方向上的位置基本一致，極有可能存在導(dǎo)通關(guān)系，根據(jù)礦方提供資料，發(fā)現(xiàn)異常的位置正好為608鉆孔，分析可能是由于鉆孔封孔不良或鉆孔中的套管導(dǎo)致的局部低阻異常。通過(guò)驗(yàn)證，異常區(qū)1確為F1斷層破碎含水，異常區(qū)2為608鉆孔中所下套管影響所致。

3)通過(guò)對(duì)某工作面溜子道迎頭前方富水情況進(jìn)行探測(cè)，綜合分析斜上30°、順層、斜下30°的扇形視電阻率剖面圖，得出探測(cè)區(qū)域內(nèi)存在1處低阻異常區(qū)，且這1處低阻異常在各層位上延續(xù)性較好，存在導(dǎo)通的可能，分析該異常區(qū)為斷層破碎，裂隙發(fā)育局部富水，需要礦方鉆探驗(yàn)證(圖8)。根據(jù)礦方揭露情況，巷道掘進(jìn)到物探異常區(qū)出現(xiàn)突水現(xiàn)象造成煤層流失，單位涌水量到達(dá)60m3/h。

圖8 迎頭前方橫向扇形視電阻率剖面Figure 8 Head-on front transverse fan shaped apparent resistivity section

3 煤礦井下對(duì)瞬變電磁探測(cè)的干擾因素分析

3.1 干擾瞬變電磁探測(cè)的因素

井下瞬變電磁探測(cè)中，探測(cè)點(diǎn)附近常見(jiàn)的金屬設(shè)施有錨桿、錨網(wǎng)、錨索、錨網(wǎng)帶支護(hù)、工字鋼、鐵軌、前探梁、液壓柱、鎦子、掘煤機(jī)等[9]，井下實(shí)際探測(cè)結(jié)果表明這些金屬設(shè)施會(huì)產(chǎn)生一定的瞬變電磁響應(yīng)，是礦井瞬變電磁的主要干擾因素[10]。

3.2 干擾因素分析

1)對(duì)某迎頭前方富水情況進(jìn)行了兩次探測(cè)對(duì)比。第一次探測(cè)巷道現(xiàn)場(chǎng)情況為：頂板及左右?guī)陀绣^網(wǎng)、錨索、錨網(wǎng)帶支護(hù)，迎頭前方均勻有三個(gè)液壓柱。將探測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理、解釋?zhuān)蒙刃我曤娮杪势拭鎴D(圖9)中，第一次探測(cè)迎頭正前方30～80m地段都出現(xiàn)明顯低阻異常，結(jié)合地質(zhì)資料分析認(rèn)為探測(cè)結(jié)果受迎頭正前方液壓柱影響所致。第二次巷道現(xiàn)場(chǎng)去掉了迎頭前方液壓柱，在頂板及左右?guī)湾^網(wǎng)、錨索、錨網(wǎng)帶支護(hù)存在且底板距離迎頭2m處有溜子，重新進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集、處理、解釋?zhuān)瑥乃蒙刃我曤娮杪势拭鎴D(圖10)中得出第二次探測(cè)迎頭前方20～100m范圍內(nèi)含水性差，未發(fā)現(xiàn)明顯低阻異常。通過(guò)驗(yàn)證，第二次探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。由此可見(jiàn)頂板及左右?guī)湾^網(wǎng)、錨索、錨網(wǎng)帶支護(hù)對(duì)瞬變電磁探測(cè)干擾相對(duì)較小，可以忽略不計(jì)[11]，探測(cè)線(xiàn)框避開(kāi)底板溜子2m以外距離可以消除干擾，迎頭前方探測(cè)時(shí)，液壓柱在線(xiàn)框中部會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)造成很強(qiáng)的干擾[12]。

圖9 迎頭前方有液壓柱的視電阻率剖面Figure 9 Head-on front with hydraulic supports apparentresistivity section

圖10 迎頭前方無(wú)液壓柱的視電阻率剖面Figure 10 Head-on front without hydraulic support apparentresistivity section

2)對(duì)某迎頭前方富水情況進(jìn)行探測(cè)對(duì)比。第一次巷道現(xiàn)場(chǎng)情況：頂板及左右?guī)陀绣^網(wǎng)、錨索、錨網(wǎng)帶支護(hù)，探測(cè)線(xiàn)框正下有鋼軌。將探測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理、解釋?zhuān)蒙刃我曤娮杪势拭鎴D(圖11)中，第一次探測(cè)迎頭前方30m以外地段都出現(xiàn)明顯低阻異常[13]，且受低阻干擾影響，探測(cè)深度明顯變淺，結(jié)合地質(zhì)資料分析認(rèn)為探測(cè)結(jié)果受底板鋼軌影響所致。第二次重新進(jìn)行探測(cè)，去除探測(cè)地點(diǎn)附近鋼軌，將探測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理、解釋?zhuān)蒙刃我曤娮杪势拭鎴D(圖12)中，發(fā)現(xiàn)迎頭前方80～100m范圍內(nèi)有低阻異常區(qū)，分析是框外存在的一個(gè)液壓支柱影響所致，認(rèn)為該迎頭前方整體富水性較差，最終探測(cè)結(jié)果與驗(yàn)證情況相符?？梢?jiàn)探測(cè)線(xiàn)框正下有鋼軌、溜子等體積較大金屬器材，對(duì)數(shù)據(jù)采集影響較大[14-15]，通過(guò)多次探測(cè)發(fā)現(xiàn)如果避開(kāi)鋼軌、溜子大于2m水平距離，將會(huì)避開(kāi)干擾。由于掘進(jìn)巷道寬度有限，迎頭前方的液壓柱雖然在探測(cè)線(xiàn)框邊框外，離邊框距離較近，因此對(duì)數(shù)據(jù)造成一定干擾。

圖11 探測(cè)底板鋪設(shè)鋼軌的視電阻率剖面Figure 11 Floor steel rail detection apparent resistivity section

圖12 探測(cè)底板附近無(wú)鋼軌的視電阻率剖面Figure 12 Floor nearby without steel rail apparentresistivity section

圖13 綜掘機(jī)離探測(cè)地點(diǎn)5m視電阻率剖面Figure 13 Fully mechanical shearer apart from detection point 5m apparent resistivity section

3)對(duì)某溜子道迎頭前方富水情況進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)日巷道現(xiàn)場(chǎng)情況：頂板及左右?guī)陀绣^網(wǎng)、錨索、錨網(wǎng)帶支護(hù)，迎頭有綜掘機(jī)，探測(cè)時(shí)綜掘機(jī)配合工作退后至距迎頭約5m，將探測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理、解釋?zhuān)蒙刃我曤娮杪势拭鎴D(圖13)中，迎頭前方整體富水性較差，最終探測(cè)結(jié)果與驗(yàn)證情況相符?？梢?jiàn)在礦井瞬變電磁探測(cè)中，探測(cè)線(xiàn)框避開(kāi)綜掘機(jī)這種大的金屬設(shè)備5m以外距離，采集的數(shù)據(jù)受干擾相對(duì)較小。

4)對(duì)某膠帶巷迎頭前方富水情況進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)日巷道現(xiàn)場(chǎng)情況：頂板及左右?guī)陀绣^網(wǎng)、錨索、錨桿、錨網(wǎng)帶支護(hù)、前探梁，探測(cè)時(shí)線(xiàn)框上部邊界與頂板前探梁接觸，將探測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理、解釋?zhuān)蒙刃我曤娮杪势拭鎴D(圖14)中，迎頭前方整體富水性較差，最終探測(cè)結(jié)果與驗(yàn)證情況相符?？梢?jiàn)前探梁這種相對(duì)體積較小的金屬對(duì)瞬變電磁探測(cè)干擾相對(duì)較小。

圖14 線(xiàn)框在前探梁下視電阻率剖面Figure 14 Loop under forward canopy apparent resistivity section

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)礦井瞬變電磁法對(duì)峰峰某礦多個(gè)工作面運(yùn)料道、溜子道、切眼等巷道迎頭前方富水性的跟蹤性超前探測(cè)效果分析認(rèn)為：①瞬變電磁法應(yīng)用于井下，對(duì)煤礦的防治水工作起到一定指導(dǎo)作用；②根據(jù)井下巷道內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，瞬變電磁法可以采取不同的觀測(cè)系統(tǒng)盡可能避免金屬設(shè)施干擾，也可以將多種觀測(cè)系統(tǒng)所探測(cè)的成果進(jìn)行綜合分析，相互驗(yàn)證，提高物探資料解釋的準(zhǔn)確度；③通過(guò)瞬變電磁法在多個(gè)煤礦巷道迎頭跟蹤性超前探測(cè)效果分析認(rèn)為，探測(cè)地點(diǎn)的掘煤機(jī)、液壓柱、底板上連續(xù)的鋼軌、 溜子等體積較大的金屬良導(dǎo)體對(duì)瞬變電磁探測(cè)干擾嚴(yán)重，應(yīng)盡量撤離或采取相應(yīng)的措施避開(kāi)，結(jié)合實(shí)例得出探測(cè)地點(diǎn)的掘煤機(jī)應(yīng)撤離探測(cè)地點(diǎn)5～10m。由于掘進(jìn)巷道寬度有限，探測(cè)時(shí)， 線(xiàn)框很難避開(kāi)迎頭前方的液壓柱，因此建議撤離；底板上的鋼軌、溜子等，探測(cè)時(shí)應(yīng)該離開(kāi)探測(cè)線(xiàn)框2～5m。而錨桿、錨網(wǎng)、錨索、錨網(wǎng)帶支護(hù)、工字鋼等體積較小的金屬物對(duì)瞬變電磁探測(cè)的干擾較小，可以在實(shí)際應(yīng)用中忽略不計(jì)。